Windkanaluntersuchungen zum Schmelzen von Schneeflocken und Hagelsteinen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Miklós Szakáll
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553699895

Ziel dieses Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis des Schmelzvorgangs von Hagelsteinen und Schneeflocken mit natürlicher Form zu erlangen. Aufgrund des Klimawandels werden extreme Niederschlagsereignisse in den nächsten Jahrzehnten an Geschwindigkeit und Häufigkeit zunehmen. Bei der Initialisierung solcher Ereignisse spielt der Phasenübergang von Eis zu Flüssigwasser eine Schlüsselrolle, selbst in den Tropen. Hagelsteine, die Größen von 5 mm bis zu mehr als 15 cm erreichen können, sind die größten Partikel im globalen Niederschlagssystem. Weitere wichtige Formen von Eishydrometeoren sind Schneeflocken, deren Größe, Dichte und Gestalt die größte Variabilität aufweisen, da sie sich durch Aggregation aus verschiedenen Typen von Eiskristallen bilden. In dem beantragten Projekt werden experimentelle Studien im Mainzer Vertikalen Windkanal durchgeführt, einer weltweit einzigartigen Einrichtung zur Untersuchung einzelner Partikel unter simulierten atmosphärischen Bedingungen in einer vertikalen Luftströmung. Das Projekt ist als Ergänzung zu früheren Untersuchungen von anderen Autoren und in unserer Arbeitsgruppe selbst geplant. Zwei Fragen bleiben noch offen, die wir in diesem Projekt bearbeiten wollen: 1) Im Gegensatz zu kugelförmigen Eispartikeln als Proxy für Hagelkörner haben naturähnliche Hagelkörner eine unregelmäßige, nicht kugelförmige Form. Dies wirkt sich insbesondere auf die Fallgeschwindigkeit aus, die bei naturgetreuen Hagelkörnern geringer ist. Sie sind daher länger der warmen Umgebungsluft ausgesetzt und schmelzen rascher als kugelförmige Hagelkörner. Außerdem verändert sich die Größenverteilung von Tröpfchen, die sich von der Eisoberfläche ablösen, was wir in einer Machbarkeitsstudie zeigen konnten. Diese Effekte müssen charakterisiert werden, um Parametrisierungen für numerische Modelle entsprechend anzupassen. 2) Frühere Studien deuten darauf hin, dass es auch beim Schmelzen von Schneeflocken zum Ablösen von Tropfen und/oder zum Abbrechen von Eispartikeln kommen kann. Die Wahrscheinlichkeit ist höher bei Aggregaten, die aus dendritischen Eiskristallen bestehen. Wichtige Parameter sind die relative Luftfeuchtigkeit und die Erwärmungsrate. Das Tropfengrößenspektrum aus dem Ablösen wirkt sich auf die Entwicklung der Wolken- und Regentropfengrößen aus und kann die relative Luftfeuchtigkeit erhöhen, was sich sowohl auf die Mikrophysik der Niederschlagspartikel als auch auf die Dynamik der Wolken auswirkt. Abgebrochene Eispartikel könnten direkt sekundäre Eisbildung bewirken, oder die Eispartikel könnten schmelzen und wieder gefrieren, was beides die Mikrophysik der Wolke verändert. Die gewonnenen Daten sind daher von großer Bedeutung für die genaue Beschreibung des Schmelzprozesses in Wolkenmodellen und für die Verbesserung künftiger Vorhersagen extremer Wetterereignisse in einem sich ändernden Klima.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen